DE19757407C2 - Energierückgewinnung während des Bremsvorganges bei Kraftfahrzeugen mit nockenwellenlosen Brennkraftmotoren mit optimierter Ventil-Einzel- oder -Gruppensteuerung - Google Patents

Description

Bisher erfolgt die Beladung und Entsorgung der Zylinder beim Viertakt-Kolbenhubmotor bekanntlich durch Ventile, die über eine oder mehrere Nockenwellen in einem konstruktionsbedingt fixen Ver­ hältnis zur Stellung von Kurbelwelle und Kolben geöffnet und ge­ schlossen werden. Wird die stärkere Verzögerung eines Kraftfahr­ zeuges erforderlich, so wird die aktuelle kinetische oder Lagen­ energie in den Bremsanlagen ohne ökonomischen Wert unter Inkauf­ nahme erheblichen Verschleißes in Abwärme verwandelt. Bei Einsatz des Motors zum Bremsen ist der Verschleiß geringer, es wird jedoch auch hierbei ausschließlich Energie vernichtet.

Motoren mit elektronisch gesteuerter Öffnungs- und Schließ­ funktion der Ventile, bei denen die Nockenwelle und weitere mecha­ nische Übertragungselemente, Stößel und eventuell Kipphebel, ent­ fallen, befinden sich in der Entwicklung. Zeitpunkt und Qualität der Ventilfunktion können damit drehzahl- und leistungsgerecht op­ timiert werden.

Diese Befreiung der Motorventile von der vorgegebenen fi­ xen Kopplung von Öffnung und Schließung an die Stellung von Kur­ belwelle und der Kolben eröffnet neben der Optimierung der an­ triebsbezogenen Funktion auch Möglichkeiten des Einsatzes des Kol­ benmotor-Prinzips für eine Rückgewinnung von Energie aus dem Abbau von kinetischer oder Schwerkraft-Energie des Fahrzeugs während des Bremsvorgangs:

Der Motor wird durch eine Änderung der Ventilsteuerung, die elektronisch erfolgt und ohne Nockenwelle in beliebiger Weise mög­ lich ist, bei Einleitung des Bremsvorganges in einen effektiven Kompressor umgewandelt. Das Viertaktprinzip, bei dem der 2. und der 3. Takt bei geschlossenen Ventilen ausschließlich gegen Gas­ druck arbeiten, wird aufgegeben. Der Luftdurchsatz durch den Motor wird derart gesteuert, daß gegenüber dem Arbeitsrhythmus die dop­ pelte Menge Luft angesaugt und ausgestoßen wird, wie es bei jeder Kolbenpumpe üblich ist. Hierbei bleibt es der technischen Umset­ zung überlassen, ob während dieses Vorgangs z. B. zwei Einlaßven­ tile diese Funktion übernehmen und die Auslaßventile ganz ge­ schlossen bleiben, oder ob das Auslaßsystem, das dann abgedichtet werden müßte, um die komprimierte Luft umzuleiten, in den Vorgang einbezogen wird. Im ersten Falle wäre die komprimierte Luft saube­ rer, da sie während des Vorgangs nur die Zylinderwände berühren und nicht den Auspuffkrümmer durchströmen würde. Das zur Abführung der komprimierten Luft benützte Ventil ist durch einen Schieber von seinem Ansaug- bzw. Auspuffkanal zu trennen. Es könnte auch, soweit konstruktiv günstiger, im Zylinderkopf ein "Kompressor-Aus­ laßventil" angebracht werden, das nur während der Energierückge­ winnung in Aktion tritt.

Die Umsteuerung der Arbeitsweise des Motors erfolgt durch die Anfangsbewegung des Bremspedals: Zuerst wird die (Leerlauf-) Kraftstoffzufuhr des Motors unterbrochen, um die Zylinder von Kraftstoff- und Verbrennungsresten, etwa während 1-2 Kurbelwellen­ umdrehungen, sauberzuspülen. Dann beginnt die angestrebte Wirk­ weise des Motors als Kompressor, wobei wegen eines weichen Ein­ satzes der Bremswirkung die Umstellung während der Anfangsbewegung des Bremspedals progressiv erfolgen sollte. Die Motorumstellung unterbleibt bei Bremsvorgängen in der Leerlaufstellung des Getrie­ bes und wird auch vor dem Motorstillstand dicht oberhalb der Leer­ laufdrehzahl aufgehoben.

Die erzeugte Druckluft wird einem Druckspeicher zuge­ führt, dessen Kapazität sich aus den anfallenden Energiemengen während des normalen Fahrbetriebs und dem Optimum für den vorgese­ henen späteren Einsatz ergibt. Eine Aufladung der Zylinder bereits bei niedriger Drehzahl wäre denkbar. Je nach Fahrweise ergibt sich dann ein ökonomie- oder ein leistungssteigernder Effekt. Über­ schüsse könnten abgeblasen und der Schalldämpfung im Abgassystem zugeführt werden, es könnte aber auch der Betrieb anderer pneumo­ mechanischer Systeme im Fahrzeug realisiert werden.

Da die Energiespeicherung nur während des Bremsvorganges er­ folgt, entsteht zu keinem Zeitpunkt eim Mehrbedarf an Primärener­ gie. - Der Dieselmotor arbeitet wegen seiner höheren Kompression bei der Drucklufterzeugung effektiver als der Ottomotor.

Da der so umgesteuerte Motor Saug- und Kompressionsarbeit in viel höherem Maße leistet, sind Bremswirkung und Speicheref­ fektivität wesentlich höher, als wenn man einen Viertaktmotor mit konventioneller Ventilsteuerung für diese Funktion einsetzen würde. Gleichwohl bleibt die Funktion des auslaufenden Fahrzeugs erhalten und ermöglicht weiterhin die Anpassung der Fahrgeschwin­ digkeit an den aktuellen Verkehrsfluß durch das Gaspedal allein.

Reicht die Bremswirkung beim stärker notwendig Verzögerung nicht aus, so setzen nach der Anfangsbewegung des Bremspedals, etwa nach einem leichten Druckpunkt, die üblichen Bremsen nach dem Stande der Ausstattung und Entwicklung ein, um eine Voll- oder Notbremsung zu ermöglichen; der Motor arbeitet währenddessen wei­ ter energiespeichernd als Kompressor, bis die obenangeführten Kri­ terien der Umschaltung (Leerlaufstellung des Getriebes oder errei­ chen der Leerlaufdrehzahl des Motors) vorliegen.

Der technische Aufwand für eine solche Einrichtung, wenn man erst einmal einen nockenwellenlosen Motor betreibt, ist denk­ bar gering, ebenso das dadurch bedingte Mehrgewicht: Die entspre­ chende Differenzierung der Ventilsteuerungseinheit erfolgt nahezu ohne Mehrgewicht. Zusätzliche, gering mechanisch bewegte Teile sind lediglich steuernde und regelnde Elemente im Ansaug- und Druckluftsystem, die keinem überdurchschnittlichen Verschleiß un­ terliegen. Sie sind marktgängig oder leicht für die speziellen Be­ lange zu entwickeln. Ein gewisses Mehrgewicht bringt der Druck­ speicher, der den räumlichen Gegebenheiten des Fahrzeugs angepaßt werden kann, ggf. auch in Einzelelementen. Die Gewichtsbelastung dürfte unter der der bisherigen mechanischen Steuerelemente der Motorventile liegen.

Der Hauptvorteil der vorgeschlagenen Bau- und Steuerungsweise liegt in der Verfügbarkeit eines multivalenten Energiedepots in Form von komprimierter Luft, dessen Aufbau unter unmittelbarer Entlastung des Bremssystems durch einen sehr geringen technischen Aufwand möglich ist und der in Sekundenbruchteilen eingeleitet und ebenso schnell unterbrochen werden kann. Die Energiespeicherung erfolgt auch auschließlich dann, wenn überschüssige, bisher ver­ nichtete Energie anfällt.

Für den Viertakt-Kolbenmotor entsteht diese Möglichkeit sprunghaft mit Hilfe frei wählbarer Ventilaktivitäten nach über hundertjähriger Entwicklung. Insbesondere bei Stadt- und Landstra­ ßenfahrten mit sehr wechselnden Geschwindigkeiten, bei denen oft die "Gasweg-Funktion" zur Geschwindigkeitsregelung nicht aus­ reicht, ergeben sich die Vorteile dieser Energierückgewinnung bei deutlich vermindertem Bremsenverschleiß. - Speicherung und Verwer­ tung der rückgewonnenen Energie in Form von Druckluft können dem Stande der Technik entsprechend gestaltet werden.

Claims (1)

1. Es handelt sich um Energie-Rückgewinnung während des Bremsvorganges bei Fahrzeugen mit nockenwellenlosen Brennkraftmotoren mit optimierter Ventileinzel- oder -Gruppensteuerung, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß bei Einleitung des Bremsvorganges die Ventile derart um­ gesteuert werden, daß der durch kinetische oder Schwerkraft-Ener­ gie passiv bewegte Motor bei jedem Kolbenhub als Kompressor arbeitet und dadurch mit hohem Wirkungsgrad die Spei­ cherung von Druckluft ermöglich als Energie, die bisher mit Hilfe des Bremssystems quantitativ in Abwärme verwandelt wird,

ferner dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß die Umsteuerung des Motors durch die Bewegung des Bremspe­ dales - zur Dosierung der Bremsleistung progressiv - erfolgt, bei niedriger Motorumdrehungszahl aufgehoben wird und bei Leerlauf­ stellung des Schaltgetriebes unterbleibt,

und schließlich dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß bei Umstellung auf die Kompressorfunktion je nach Erfor­ dernis eine geringe Anzahl von Kolbenhüben (1-2) ohne Kraftstoff­ zufuhr, zur Spülung der Zylinderräume, vorgeschaltet wird.